Branduolių sintezė: žvaigždžių energijos panaudojimas švarios energijos ateičiai

Didžiulėje kosmoso platybėje žvaigždės, tokios kaip mūsų Saulė, kiekvieną sekundę atlieka neįtikėtiną žygdarbį: jos sukuria milžinišką energiją branduolių sintezės būdu. Dešimtmečius žmonija svajojo atkartoti šį dangišką procesą Žemėje. Tai monumentalus mokslinis ir inžinerinis iššūkis, dažnai vadinamas energijos gamybos „šventuoju Graliu“. Tačiau ši svajonė pamažu artėja prie realybės, žadėdama ateitį, kurioje energija bus gaunama iš švaraus, praktiškai neriboto ir iš esmės saugaus energijos šaltinio. Šiame įraše nagrinėjamas branduolių sintezės mokslas, pasaulinės pastangos ir didžiulis potencialas iš naujo apibrėžti mūsų planetos energetikos kraštovaizdį.

Kas yra branduolių sintezė? Žvaigždžių mokslo paaiškinimas

Iš esmės branduolių sintezė yra dviejų lengvų atomų branduolių susijungimo procesas, kurio metu susidaro vienas sunkesnis branduolys. Šio proceso metu išsiskiria milžiniškas energijos kiekis – daug didesnis nei iš bet kurio kito žmonijai žinomo energijos šaltinio. Tai visiška priešingybė branduolių dalijimuisi, procesui, naudojamam šiandienos atominėse elektrinėse, kurio metu skaidomi sunkūs, nestabilūs atomai, pavyzdžiui, uranas.

Šis skirtumas yra labai svarbus dėl kelių priežasčių:

Kuras: Sintezei paprastai naudojami vandenilio izotopai (deuteris ir tritis), kurių yra gausu. Dalijimuisi reikalingas uranas ir plutonis, kurie yra reti ir reikalauja didelių kasybos darbų.
Saugumas: Sintezės reakcijos nėra grandininės reakcijos. Jei įvyksta koks nors sutrikimas, procesas tiesiog sustoja. Tai reiškia, kad reaktoriaus išsilydymas, koks galimas dalijimosi reaktoriuose, yra fiziškai neįmanomas.
Atliekos: Pagrindinis sintezės šalutinis produktas yra helis – inertiškos ir nekenksmingos dujos. Proceso metu nesusidaro ilgaamžės, aukšto aktyvumo radioaktyviosios atliekos, kurios yra didelis iššūkis dalijimosi pramonei. Nors kai kurie reaktoriaus komponentai taps radioaktyvūs, jų skilimo pusperiodis yra daug trumpesnis ir juos lengviau tvarkyti.

Iš esmės sintezė siūlo visus branduolinės energijos privalumus – didžiulę, patikimą, anglies dioksido neišskiriančią energiją – be trūkumų, kurie istoriškai kėlė nerimą visuomenei ir politikos formuotojams.

Sintezės kuras: gausus ir prieinamas visame pasaulyje

Perspektyviausia sintezės reakcija artimiausio laikotarpio elektrinėms apima du vandenilio izotopus: deuterį (D) ir tritį (T).

Deuteris (D): Tai stabilus vandenilio izotopas, kurio yra neįtikėtinai gausu. Jį galima lengvai ir pigiai išgauti iš visų formų vandens, įskaitant jūros vandenį. Deuteris, esantis vos viename litre jūros vandens, sintezės būdu galėtų pagaminti tiek energijos, kiek sudeginus 300 litrų benzino. Dėl to kuro šaltinis yra praktiškai neišsenkantis ir prieinamas kiekvienai tautai, turinčiai pakrantę, o tai demokratizuoja energijos išteklius pasauliniu mastu.
Tritis (T): Šis izotopas yra radioaktyvus ir gamtoje itin retas. Tai gali atrodyti kaip didelė kliūtis, tačiau mokslininkai turi elegantišką sprendimą: „auginti“ tritį pačiame sintezės reaktoriuje. Reaktoriaus sienas išklojus antklodėmis su ličiu, lengvu ir paplitusiu metalu, D-T sintezės reakcijos metu susidarę neutronai gali būti sugauti. Ši sąveika paverčia litį tričiu ir heliu, sukurdama save palaikantį kuro ciklą. Ličio taip pat gausu sausumoje ir jūros vandenyje, o tai užtikrina atsargas tūkstančiams metų.

Uždegimo paieškos: kaip sukurti žvaigždę Žemėje

Norint, kad įvyktų sintezė, reikia įveikti natūralią teigiamai įkrautų atomų branduolių atostūmą. Tam reikia sukurti ir valdyti materiją ekstremaliomis sąlygomis – konkrečiai, esant aukštesnei nei 150 milijonų laipsnių Celsijaus temperatūrai, kuri yra daugiau nei dešimt kartų karštesnė už Saulės branduolį. Esant tokiai temperatūrai, dujos virsta plazma – sriubą primenančia, elektriškai įkrauta ketvirtąja materijos būsena.

Jokia fizinė medžiaga negali atlaikyti tokio karščio. Todėl mokslininkai sukūrė du pagrindinius metodus šiai perkaitintai plazmai sulaikyti ir valdyti.

Magnetinis sulaikymas: Tokamakas ir stelaratorius

Plačiausiai tiriamas metodas yra magnetinio sulaikymo sintezė (MCF). Jam naudojami nepaprastai galingi magnetiniai laukai, kurie išlaiko plazmą tam tikros formos, neleisdami jai liestis su reaktoriaus sienelėmis. Du pagrindiniai dizainai yra šie:

Tokamakas: Išrastas Sovietų Sąjungoje šeštajame dešimtmetyje, tokamakas yra spurgos formos įrenginys (toras), kuris naudoja galingų magnetinių ričių derinį plazmai sulaikyti ir formuoti. Pavadinimas yra rusiškas akronimas, reiškiantis „toroidinė kamera su magnetinėmis ritėmis“. Tokamakai yra labiausiai išvystyta sintezės koncepcija ir sudaro daugelio pasaulyje pirmaujančių eksperimentų, įskaitant tarptautinį ITER projektą, pagrindą.
Stelaratorius: Stelaratorius taip pat naudoja magnetinius laukus plazmai sulaikyti spurgos formoje, tačiau tai pasiekiama per neįtikėtinai sudėtingą, susuktą ir asimetrišką išorinių ričių rinkinį. Nors juos sunkiau suprojektuoti ir pagaminti, stelaratoriai turi pagrindinį teorinį pranašumą: jie gali veikti nepertraukiamai, o tradiciniai tokamakai veikia impulsais. Vokietijos „Wendelstein 7-X“ yra pažangiausias stelaratorius pasaulyje, tiriantis šią perspektyvią alternatyvą.

Inercinis sulaikymas: lazerių galia

Inercinio sulaikymo sintezė (ICF) naudoja visiškai kitokį metodą. Užuot ilgą laiką sulaikius plazmą, ja siekiama sukurti sintezę trumpalaikiu, galingu pliūpsniu. Taikant šį metodą, mažytė granulė, kurioje yra deuterio ir tričio kuro, iš visų pusių apšaudoma itin didelės energijos lazerio arba dalelių spinduliais. Tai sukelia granulės išorinio paviršiaus abliaciją, sukurdama implozinę smūginę bangą, kuri suspaudžia ir įkaitina kurą branduolyje iki sintezės sąlygų – procesas, panašus į miniatiūrinės žvaigždės sukūrimą, kuri egzistuoja tik sekundės dalį. 2022 m. gruodį Nacionalinė uždegimo sistema (NIF) Lawrence Livermore nacionalinėje laboratorijoje JAV įėjo į istoriją, pirmą kartą pasiekusi „uždegimą“ – sintezės reakcijos metu pagaminusi daugiau energijos, nei lazeriai perdavė kuro taikiniui.

Pasaulinis bendradarbiavimas: lenktynės link sintezės ateities

Vien dėl sintezės tyrimų masto ir sudėtingumo jie tapo puikiu tarptautinio mokslinio bendradarbiavimo pavyzdžiu. Nė viena tauta negalėtų viena lengvai padengti išlaidų ar suteikti visos reikiamos patirties.

ITER: paminklas tarptautiniam bendradarbiavimui

Šių pasaulinių pastangų flagmanas yra ITER (Tarptautinis termobranduolinis eksperimentinis reaktorius), šiuo metu statomas pietų Prancūzijoje. Tai vienas ambicingiausių inžinerinių projektų žmonijos istorijoje. ITER organizacija yra 35 tautų, atstovaujančių daugiau nei pusei pasaulio gyventojų, bendradarbiavimas: Europos Sąjunga, Kinija, Indija, Japonija, Pietų Korėja, Rusija ir Jungtinės Valstijos.

Pagrindinis ITER tikslas – ne gaminti elektrą, o įrodyti mokslinį ir technologinį sintezės, kaip didelio masto, anglies dioksido neišskiriančio energijos šaltinio, įgyvendinamumą. Jis sukurtas kaip pirmasis sintezės įrenginys, gaminantis „grynąją energiją“, siekiant pagaminti 500 megavatų šiluminės sintezės energijos iš 50 megavatų įvesties – dešimteriopą energijos prieaugį (Q=10). Pamokos, išmoktos statant ir eksploatuojant ITER, bus neįkainojamos projektuojant pirmosios kartos komercines sintezės elektrines, žinomas kaip DEMO reaktoriai.

Nacionalinės ir privataus sektoriaus iniciatyvos

Kartu su ITER daugelis šalių vykdo savo ambicingas nacionalines programas:

Kinijos EAST (Eksperimentinis pažangus superlaidumo tokamakas) ir HL-2M tokamakai pasiekė kelis rekordus, išlaikydami aukštos temperatūros plazmą.
Pietų Korėjos KSTAR (Korėjos superlaidumo tokamako pažangiųjų tyrimų) taip pat pasiekė reikšmingų laimėjimų ilgo impulso, didelio našumo plazmos veikimo srityje.
JK STEP (Sferinis tokamakas energijos gamybai) programa siekia suprojektuoti ir pastatyti prototipinę sintezės elektrinę iki 2040 m.
Japonijos JT-60SA yra bendras Japonijos ir Europos projektas – didžiausias pasaulyje veikiantis superlaidusis tokamakas, skirtas palaikyti ITER ir tirti kelius į komercinį reaktorių.

Galbūt labiausiai jaudina tai, kad per pastarąjį dešimtmetį įvyko privačių sintezės įmonių bumas. Remiamos milijardų dolerių rizikos kapitalo, šios veržlios pradedančiosios įmonės tiria platų novatoriškų dizainų ir technologijų spektrą. Tokios įmonės kaip Commonwealth Fusion Systems (JAV), General Fusion (Kanada), ir Tokamak Energy (JK) spartina pažangą, siekdamos sukurti mažesnius, pigesnius ir greičiau rinkai pateikiamus reaktorius. Šis viešojo sektoriaus fundamentinių tyrimų ir privataus sektoriaus inovacijų derinys kuria dinamišką ir konkurencingą ekosistemą, kuri dramatiškai pagreitina sintezės energijos atsiradimo terminus.

Kliūčių įveikimas: didieji sintezės iššūkiai

Nepaisant neįtikėtinos pažangos, kelyje į komercinę sintezės energetiką išlieka didelių iššūkių. Tai nėra lengvas mokslas, o inžinerinės kliūtys reikalauja novatoriškų sprendimų.

Grynojo energijos prieaugio pasiekimas ir palaikymas: Nors NIF pasiekė tam tikrą uždegimo formą, o tokamakai, tokie kaip JET (Jungtinis Europos toras), pagamino reikšmingą sintezės energijos kiekį, kitas žingsnis – sukurti mašiną, kuri galėtų nuolat ir patikimai gaminti daug daugiau energijos, nei visa elektrinė sunaudoja savo veiklai. Tai yra pagrindinis ITER ir vėlesnių DEMO reaktorių tikslas.
Medžiagotyra: Medžiagos, su kuriomis reaktoriuje susiduria plazma, ypač „divertorius“, kuris pašalina perteklinę šilumą ir helį, turi atlaikyti ekstremalesnes sąlygas nei grįžtančio į atmosferą erdvėlaivio. Jos turi atlaikyti intensyvias šilumos apkrovas ir nuolatinį didelės energijos neutronų bombardavimą, greitai nesuirdamos. Šių pažangių medžiagų kūrimas yra viena pagrindinių tyrimų sričių.
Tričio „auginimas“: Tričio „auginimo“ iš ličio koncepcija yra pagrįsta, tačiau sukurti ir eksploatuoti sistemą, kuri galėtų patikimai pagaminti pakankamai tričio reaktoriui uždaroje, savarankiškoje grandinėje, yra sudėtinga inžinerinė užduotis, kurią reikia įrodyti praktiškai.
Ekonominis gyvybingumas: Sintezės reaktorius yra neįtikėtinai sudėtinga ir brangu statyti. Galutinis iššūkis bus suprojektuoti ir eksploatuoti sintezės elektrines, kurios būtų ekonomiškai konkurencingos su kitais energijos šaltiniais. Privataus sektoriaus inovacijos, orientuotos į mažesnius ir modulinius dizainus, yra labai svarbios sprendžiant šį iššūkį.

Sintezės pažadas: kodėl verta stengtis

Atsižvelgiant į didžiulius iššūkius, kodėl mes skiriame tiek daug pasaulinių pastangų ir kapitalo sintezei? Nes nauda yra tiesiog revoliucinė žmonijos civilizacijai. Pasaulis, aprūpintas sintezės energija, būtų pasikeitęs pasaulis.

Švari ir be anglies dioksido: Sintezė neišskiria CO2 ar kitų šiltnamio efektą sukeliančių dujų. Tai galingas įrankis kovojant su klimato kaita ir oro tarša.
Gausus kuras: Kuro šaltinių, deuterio ir ličio, yra tiek daug, kad jie gali aprūpinti planetą energija milijonus metų. Tai pašalina geopolitinius konfliktus dėl ribotų energijos išteklių ir suteikia energetinę nepriklausomybę visoms tautoms.
Iš prigimties saugi: Sintezės fizika neleidžia įvykti nekontroliuojamai reakcijai ar išsilydymui. Reaktoriaus kameroje vienu metu niekada nebūna pakankamai kuro, kad sukeltų didelio masto avariją, o bet koks gedimas iš karto sustabdo reakciją.
Minimalios atliekos: Sintezės metu nesusidaro ilgaamžių, aukšto aktyvumo radioaktyviųjų atliekų. Reaktoriaus komponentai tampa aktyvuoti neutronų, tačiau radioaktyvumas išnyksta per dešimtmečius ar šimtmetį, o ne tūkstantmečius.
Didelis galios tankis ir patikimumas: Sintezės elektrinė užimtų nedidelį plotą, palyginti su didžiuliais plotais, reikalingais saulės ar vėjo jėgainėms, kad pagamintų tą patį energijos kiekį. Svarbiausia, kad ji gali teikti patikimą, 24/7 bazinę galią, papildydama daugelio atsinaujinančių šaltinių nepastovumą.

Kelias į priekį: kada galime tikėtis sintezės energijos?

Senas pokštas, kad sintezė yra „už 30 metų ir visada tokia bus“, pagaliau praranda savo aštrumą. Dešimtmečių viešųjų tyrimų, didelių proveržių tokiose įstaigose kaip JET ir NIF, artėjančio ITER veikimo ir privačių inovacijų antplūdžio konvergencija sukūrė precedento neturintį pagreitį. Nors tikslius terminus sunku nuspėti, bendras planas ryškėja:

2020–2030 m.: Mokslo įrodymas. ITER pradės savo pagrindinius D-T eksperimentus, siekdamas pademonstruoti grynąjį energijos prieaugį Q=10. Tuo pačiu metu kelios privačios įmonės sieks pademonstruoti grynąjį energijos prieaugį savo prototipiniuose įrenginiuose.
2030–2040 m.: Technologijos įrodymas. Remiantis ITER ir kitų eksperimentų patirtimi, prasidės DEMO (Demonstracinės elektrinės) reaktorių projektavimas ir statyba. Tai bus pirmieji sintezės reaktoriai, kurie bus prijungti prie tinklo ir gamins elektrą.
Nuo 2050 m. ir vėliau: Komercinis diegimas. Jei DEMO reaktoriai bus sėkmingi, galėtume pamatyti pirmosios kartos komercinių sintezės elektrinių statybas visame pasaulyje, pradedant perėjimą prie naujos energetikos paradigmos.

Praktinė įžvalga: ką tai reiškia mums?

Kelionė į sintezės energetiką reikalauja kolektyvinės, į ateitį orientuotos perspektyvos. Politikos formuotojams tai reiškia tvarias investicijas į mokslinius tyrimus ir plėtrą, tarptautinių partnerysčių puoselėjimą ir aiškių teisinio reguliavimo sistemų kūrimą šiai naujai technologijai. Investuotojams tai yra ilgalaikė, didelio poveikio galimybė remti įmones, kuriančias ateities energetikos infrastruktūrą. Visuomenei tai yra raginimas būti informuotiems, remti mokslo pastangas ir dalyvauti svarbiame pokalbyje apie tai, kaip švariai ir tvariai aprūpinsime savo pasaulį energija ateities kartoms.

Išvada: naujos energetikos eros aušra

Branduolių sintezė nebėra tik mokslinės fantastikos sritis. Tai apčiuopiamas, aktyviai siekiamas sprendimas kai kuriems opiausiems žmonijos iššūkiams. Kelias ilgas, o inžinerija monumentali, tačiau pažanga yra reali ir spartėja. Nuo didžiulių tarptautinių bendradarbiavimo projektų iki dinamiškų privačių pradedančiųjų įmonių, gabiausi pasaulio protai dirba siekdami atskleisti žvaigždžių galią. Tai darydami, jie ne tik stato elektrinę; jie kloja pamatus švaresnei, saugesnei ir klestinčiai energetikos ateičiai visam pasauliui.